CPS Factory: flexible, adaptive, sich selbst organisierende Produktionseinheiten der Verfahrens- und Fertigungstechnik

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1 CPS Factory: flexible, adaptive, sich selbst organisierende Produktionseinheiten der Verfahrens- und Fertigungstechnik (M.Sc.) Lehrstuhl für Automatisierung und Informationssysteme Prof. Vogel-Heuser 1

2 Arbeitspaket CPS Factory - Team Prof. Dr. Birgit Vogel-Heuser (Direktorin industrielle Automatisierung fortiss GmbH, Forschungs- und Transfer-Institut für softwareintensive Systeme und Services an der Technischen Universität München) Ralf Ackermann (SAP AG) (TU München, AIS) Dr. Ursula Frank (Beckhoff Automation GmbH) Dr. Geisberger (fortiss GmbH) Gerd Hoppe (Beckhoff Automation GmbH) Bernd Kärcher (Festo AG&Co.KG) Dr. Josef Papenfort (Beckhoff Automation GmbH) Stefan Ziegler (Bitkom e.v., Federal Association for Information Technology, Telecommunications and New Media) Reviewer: Dr. Oliver Frager (teamtechnik) Dr. Christine Maul / Dr. Stefan Ochs (Bayer Technology Services GmbH) Dr. Carolin Theobald / Dr. Stephan Gurke (ZVEI) Rainer Glatz/ Claus Oetter (VDMA) Dr. Rainer Stetter (itq) Andrea Cato / Frank Lafos (Intel GmbH) 2

3 Szenarienbeschreibung: Fertigung einer Küche Familie Müller bestellt eine Küche. Fertigung beim Betreiber A in Deutschland Auftrag bestätigt Anforderungen: geringer Preis, Verwendung ökologisch einwandfreier Materialien und ökologische nachhaltige Produktion Fertigung beim Betreiber B in Osteuropa Auftrag bestätigt 3

4 Szenarienbeschreibung: Fertigung einer Küche Fertigung beim Betreiber A in Deutschland Auftragsbearbeitung Familie Müller möchte ein anderes Dekor für die Arbeitsplatte Betreiber B in Osteuropa Auftragsänderung Neue Produktionsmethode aufwändige Vorbehandlung der Roharbeitsplatte 4

5 (End-)Kunden 1.1 Anfrage 2.2 Angebot CPS Factory und die beteiligten Stakeholder Anfrage über Dritten 4.2 Bestätigung Händler 4. Bestä- tigung Direktanfrage 1.2 Anfrage 3. Auftrag 2.1 Angebot 1. Anfrage 2. Angebot 3.1 Auftrag 4.2 Bestätigung alle Produktionseinheiten melden sich im Internet an bzw. werden bei Bedarf gefunden und in die Planungen einbezogen CPS Marktplatz der Produktions einheiten Produktionseinheiten kommunizieren, verhandeln konfigurieren sich bei Bedarf Anpassungen bzw. Weiter- und Elektro-Lieferanten Quelle: Auftrag Auftragsund Produktionsprozessabwicklung Auftragsabwicklung von AT-Komponenten, Services Neuentwicklungen initiieren produzieren automatisch basierend auf den Produktdaten Ad-hoc Wertschöpfungsnetzwerke Anlagenbetreiber Abwicklung von Anpassungen, Weiter- und Neuentwicklung Informationen über Anpassungs-, Weiterund Neuentwicklungs- Möglichkeiten Source: 3S Swiss Solar Systems AG solarserver.de Heindl Server GmbH Anlagenhersteller 5

6 Eigenschaften von CPS Produktionseinheiten weitgehend ortsunabhängig: Die Produktionseinheiten sind ortsunabhängig und befinden sich bei einem oder mehreren Anlagenbetreibern. Sie können bei Bedarf über CPS Logistik ihren Standort/Anlagenbetreiber wechseln kontextspezifisch: neue Planung von Produktionseinheiten bzw. des Produktionsprozesses aufgrund einer neuen Kundenanforderung/ Auftragsänderung adaptiv: neue Planung von Produktionseinheiten sowie Änderung der Produktionseinheiten bzw. des Produktionsprozesses aufgrund eines Ausfalls oder einer Kapazitäts-, Auftrags- oder Qualitätsoptimierung (teil-) autonom und automatisiert: Systeme oder Teilsysteme der CPS Factory können selbständig arbeiten multifunktional: Ein Produktionssystem kann nicht nur Produkte herstellen, sondern gerade durch die Vernetzung u.a. auch Produktionseinheiten nach Kriterien neu organisieren vernetzt und verteilt: Die Produktionseinheiten können weltweit verteilt und vernetzt sein. 6

7 (End-)Kunden Herausforderungen für das Engineering und die Realisierung von CPS Factory Anfrage über Dritten 4. Bestä- tigung Direktanfrage 3. Auftrag 2. Angebot alle Produktionseinheiten melden sich im Internet an bzw. werden bei Bedarf gefunden und in die Planungen einbezogen CPS Marktplatz der Produktions einheiten 3.1 Auftrag Auftragsund Produktionsprozessabwicklung Ad-hoc Wertschöpfungsnetzwerke Anlagenbetreiber Horizontale Vernetzung zur Interaktion von Produktionseinheiten (eines oder mehrere Hersteller) 1.1 Anfrage Vertikale Vernetzung zur Steuerung der Produktionsanlagen 1. Anfrage (automatische Anpassung von Tracking und Tracing der Produkte der aktuellen Anlagenkonstellation und der Qualitätsdaten) Quelle: Abwicklung von Anpassungen, Weiter- und Neuentwicklung Source: 3S Swiss Solar Systems AG solarserver.de Heindl Server GmbH Produktionseinheiten 1.2 kommunizieren, verhandeln 4.2 Anfrage Bestätigung(Concurrent 2.1 Engineering) Integrative disziplinübergreifende konfigurieren Auftrag Entwicklung sich von Produkt und Produktionssystem Angebot über bei Bedarf Unternehmensgrenzen Anpassungen hinweg Angebot Entwicklung (Model Neuentwicklungen Driven Design) von AT-Komponenten, für initiieren den gesamten Anpassungs-, Lebenszyklus Weiter- bzw. Weiter- Auftragsabwicklung und Informationen über Modellgetriebene 4.2 (inklusive Varianten- und produzieren Bestätigung Versionsmanagement ) Services automatisch und Neuentwicklungsbasierend auf den Möglichkeiten Durchgängige Händler Engineering Werkzeugkette Produktdaten und Datenkopplung über Unternehmensgrenzen und verschiedene Anbieter hinweg Elektro-Lieferanten Vorgehensweisen, Methoden, Beschreibungsmittel, Softwarewerkzeuge Anlagenhersteller 7

8 Technische Merkmale von CPS Factory Datendurchgängigkeit über verschiedene am Geschäftsprozess beteiligte Unternehmen, Anwender und allgemein Stakeholder einer CPS Factory. Bereitstellung notwendiger Daten für Konfiguration, Produktion, Verhandlung von Auftragsbearbeitungen Zugriffschutz auf Produktions- und Technologiedaten (Knowhow) der beteiligten Unternehmen CPS Marktplatz der Produktions einheiten Globales Engineering des Produktionsablaufs sowie Ausführung desselben, Betrieb & Wartung der Produktionseinheiten nach Maßgabe einer CPS Architektur Eine für eine Klasse von Aggregaten/Modulen, Maschinen, Anlagen etc. einheitliche Architektur und Ontologie in Bezug auf Eigenschaften, Fähigkeiten, Schnittstellen und Datendarstellungen - zusammengefasst CPS Architektur - abgeleitet von einer CPS Referenzarchitektur Produktbeschreibungen von zu fertigenden Produkten unter Nutzung einer entsprechenden Ontologie, die einer CPS Factory eine eigenständige Analyse, Darstellung, Organisation und Ausführung eines Produktionsablaufes für das Produkt erlauben 8

9 Technische Merkmale von CPS Factory Flexible Produktionseinheiten, die auf geänderte Produktanforderungen unmittelbar adaptierbar sind (z.b. per Konfiguration) aber auch strukturelle Änderungen ihrer Eigenschaften und Fähigkeiten erlauben Produktionseinheiten mit Sensoren und Aktoren zur Erfassung von Informationen und zum Einwirken auf physikalische Vorgänge CPS Marktplatz der Produktions einheiten Produktionseinheiten mit inhärenter Fähigkeit, z.b. durch breitbandige Vernetzung oder lokale Intelligenz, zum Sammeln und Auswerten von Daten, zur autonomen Steuerung und zur Interaktion mit der realen und digitalen Welt Daten und Dienste weltweit verteilt auf die mit hoher Verfügbarkeit auch weltweit zugegriffen werden kann digitale Netze (drahtlos, drahtgebunden, lokal, global) und Schnittstellen für die Kommunikation zwischen Mensch und Produktionseinheiten und zwischen den Produktionseinheiten, 9

10 Handlungsempfehlungen Integrative disziplinübergreifende Entwicklung von Produkt und Produktionssystem Getrennte Entwicklung von Produkten und Produktionsanlagen sowie Produktentwicklern, Qualitätsmanagement und Produktionsplanung und deren Automatisierung Verschiedene Werkzeuge fehlende Datenintegration Ziel: Integrative disziplinübergreifende Entwicklung von Produkt und Produktionssystem Integrativ concurrent engineering von Produkt und Produktionsanlage Disziplinübergreifend inklusive unterschiedlicher Gewerke Maschinenbau Elektrotechnik Maschinenbau Elektrotechnik Informatik Informatik Quelle: Vogel-Heuser, B. et al..: Global Information Architecture for Industrial Automation. In: Automatisierungstechnische Praxis (atp), Oldenbourg-Verlag, München, 2009 Jahrgang 51, Heft 1, S

11 Systemeigenschaften und Herausforderungen der CPS Factory Security Heterogenität Performanz Usability V L Dynamische Rekonfiguration zur Laufzeit Adaptivität H Informationsmodell V H Interoperabilität Zuverlässigkeit Dynamik Produktionseinheit Safety Skalierbarkeit Quelle: Vogel-Heuser, B. et al..: Global Information Architecture for Industrial Automation. In: Automatisierungstechnische Praxis (atp), Oldenbourg-Verlag, München, 2009 Jahrgang 51, Heft 1, S

12 Systemeigenschaften und Herausforderungen der CPS Factory Usability Adaptivität Security H Fähigkeit: Schutz der Daten Erfordert: Zugriffsmanagement Herausforderung: Performanz Datenlücken bzw. -pannen können nicht ausgeschlossen werden. Wer trägt bei Datenpannen die Heterogenität L Verantwortung und den Schaden? V Informationsmodell V H Dynamische Rekonfiguration zur Laufzeit Interoperabilität Zuverlässigkeit Fähigkeit: auftragsspezifische und situationsgerechte Anpassung der Produktionseinheiten Erfordert: Transparenz, Dynamik Flexibilität, Modularität, Selbstorganisation Herausforderung: Akzeptanz bei nichtvorhersehbaren Systemen schwierig. Entscheidungsfindung muss klar und nachvollziehbar sein. Produktionseinheit Safety Skalierbarkeit Fähigkeit: Kommunikation verschiedener Produktionseinheiten Erfordert: Standardisierte Schnittstellen Herausforderung: Offene Systeme. Akzeptanz schwierig Quelle: Vogel-Heuser, B. et al..: Global Information Architecture for Industrial Automation. In: Automatisierungstechnische Praxis (atp), Oldenbourg-Verlag, München, 2009 Jahrgang 51, Heft 1, S